自動化控制在高壓氧艙上的應用

林穎嬪 殷釋然

（上海打撈局蕪湖潛水裝備廠 安徽省蕪湖市 241060）

1 項目背景

高壓氧艙是進行高壓氧療法的專用醫療設備，按加壓的介質不同，分為空氣加壓艙和純氧加壓艙兩種。高壓氧艙的適用范圍很廣，臨床主要用于厭氧菌感染、CO 中毒、H2S 中毒、減壓病、缺血缺氧性腦病等疾病的治療；對于去年出現的新型冠狀病毒的治療也有很好的輔助作用。近幾年來各醫療機構對氧艙的需求也大大增加，而且對于氧艙的操作也提出了自動化的要求。

氧艙及操作臺總圖如圖1 所示。醫用高壓氧艙的分類按外形尺寸可從直徑2.2 米到4.0 米；按艙體數量可分為單艙、雙艙和艙群；也可按同時進艙人數來劃分。其自動化操艙系統需要與不同的艙體以及客戶獨特的要求相適應。本文以直徑3.2 米的雙艙計算機控制系統為例進行說明。

圖1：氧艙及操作臺總圖

2 系統硬件

本臺醫用高壓氧艙直徑3.2 米，分為治療艙和過渡艙兩個艙室，也稱為主艙和副艙，每個艙室分別設有加壓閥、減壓閥、排氧閥、壓力傳感器、測氧儀、溫濕度儀，在控制臺上配置一臺工控主機和一套PLC 系統，可獨立加、減壓，或通過排氧閥調節氧含量。這也是該氧艙自動化控制的主要硬件。

對比早期計算機操艙系統中采用的數據采集板卡與工控機相結合的方案，我選擇了從硬件連接到編程語言應都更簡單的西門子S7 200 PLC 和華研IPC-610L 工控機。其中PLC 的I/O 模塊配置了20 路4-20mA 模擬量輸入，分別為總供氣壓力，兩個艙室內的氣壓、含氧量、溫度、濕度以及加壓閥、減壓閥、排氧閥的開度反饋，并預留多路備用；8 路4-20mA 模擬量輸出，分別為過渡艙和治療艙的加壓閥、減壓閥和排氧閥的給定，并預留2 路備用。PLC 硬件配置表如表1 所示。

另外，根據醫用高壓氧艙的標準，為計算機操作系統配置了在線式UPS，確保正常電源故障時備用電池不低于30 分鐘的供電。整套自動化系統的硬件連接如圖2 所示。

圖2：系統硬件連接圖

3 軟件系統

計算機操作界面的制作也有眾多軟件可以選擇，傳統的程序語言編程環境都可以實現，如Visual C++、Borland C++、Visual Basic 和NI 公司的Lab Windows/CVI 等，本臺3.2 氧艙的計算機操作系統是采用NI 公司的圖形化編程軟件LabVIEW 制作的。與其他計算機語言的顯著區別在于：其他計算機語言都是采用基于文本的語言產生代碼，而LabVIEW 使用的是圖形化編輯語言，用圖標代替文本創建應用程序。PLC 程序則是采用西門子S7 200 專用軟件STEP 7-MicroWIN, 并用OPC 軟件實現LabVIEW 操作系統與PLC 程序之間的數據交換。

表1：PLC 硬件配置表

圖3：系統登錄及用戶管理界面

3.1 LabVIEW軟件操作界面

如圖3 所示，操作系統啟動后首先進入登錄界面，由操艙人員在輸入正確的用戶名和密碼，進行身份驗證后方可進入系統操作。管理員身份可以進入用戶管理系統，對系統進行用戶管理和維護。

艙室加、減壓治療方案的自動執行是建立在醫護人員提前制定好程序的前提下的，在“操艙方案設計”界面下，按照治療方案的不同，設定不同的加/減壓閥門開度大小、保壓/換氣的時間和艙室內的控制壓力并保存為固定治療方案。如圖4 所示。

主艙和過渡艙的自動操作是獨立的兩個界面，在各自艙室執行自動治療方案的同時，可以對另一個艙室進行手動操作。中間的圖表直接呈現的是當前自動執行治療方案的艙室壓力、氧含量的實時曲線圖，右邊表格對應該艙室的環境相關參數和報警信號；左邊則是針對另一艙室的手動操作，加、減壓各分為五檔快速調整室內壓力。如圖5 所示。

操作系統還設置有報警記錄和歷史記錄頁面，分別記錄系統的各類報警信息和艙室治療操作信息，可創建醫護人員數據庫，建立用戶檔案，做到操作可查證、數據可追溯、故障有記錄。如圖6 所示。

氧艙的操作中，無論是手動模式還是自動模式下對加壓閥、減壓閥和排氧閥的控制都是由PLC 程序實現。整個系統的工作流程如圖7。

圖4：操艙方案設計界面

圖5：治療艙自動操艙（過渡艙手動操作）界面

圖6：報警記錄及歷史記錄

3.2 OPC軟件數據

OPC 軟件擴展了設備的概念，提供了一套OPC 服務規范，無論是上位機、PLC 或是智能儀表，應用程序開發者只需編寫一個接口程序便可以連接不同的設備。此處OPC 作為上位機LABVIEW操作系統與S7-200 PLC 的接口，實現PLC 與上位機操作程序的數據交換。如圖8 和圖9 所示。

3.3 PLC程序設計

圖7：計算機系統流程圖

圖8：軟件數據交換結構

圖9：OPC 數據接口表

PLC 程序分為主程序和多個子程序塊，程序結構如圖10 所示。

圖10

在對艙室加減壓控制上采用了雙閉環控制，以保證艙室加壓速率和壓力控制的精確。雙閉環控制分別為閥體開度閉環控制和艙室壓力閉環控制。閥體本身的電動執行器接收從PLC 輸出發出的4-20mA 模擬信號后，閥體執行相應的開度，并有反饋信號輸入到PLC 進行對比進行調節；自動操艙時在治療程序中通過提前設置好的艙室壓力和加、減壓時間，確定相應的加、減壓速率，再由壓力變送器將艙室內的實際壓力轉換為4-20mA 的模擬信號反饋至PLC，輸出和反饋數據進行比較和調節，以實現壓力閉環控制。另外在艙室剛開始加壓時設置了關門檢測，以防止啟始加壓時由于艙門未緊閉，加壓曲線過軟，達不到所需的加壓速率。

4 小結

近年來，高壓氧艙在全球各類醫療機構中的應用越來越廣泛，院方對氧艙的要求也越來越高，追求外形美觀、結構合理、操作便捷，對于計算機操作系統則需要界面友好、功能強大、維護方便，這就需要我們更好地將先進的自動化技術應用到實際生產中去。可能在不久的將來，會出現更舒適、更智能的醫用高壓氧艙為患者帶來福音。